JP2017506297A - Turbine component with negative CTE characteristics - Google Patents
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Abstract
タービン部品(10)は、対向する内部表面および外部表面を有し、ガスタービンエンジンの燃焼ガス流を導くように構成されている金属壁、および上記表面の1つに強固に取り付けられている金属製の負のCTE構造(48、50、54)を備える。【選択図】図1The turbine component (10) has opposing inner and outer surfaces, a metal wall configured to direct the combustion gas flow of the gas turbine engine, and a metal rigidly attached to one of the surfaces With negative CTE structure (48, 50, 54) made of. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、一般的にタービン部品に関し、より詳しくは、高温環境で使用されるタービン部品に関する。 The present invention relates generally to turbine components, and more particularly to turbine components used in high temperature environments.
典型的なガスタービンエンジンは、直列流動関係にある高圧コンプレッサ、燃焼器、および高圧タービンを有するターボ機械コアを備える。コアは、一次ガス流を生成するように公知の様式で稼働可能である。高圧タービンは、一次ガス流からエネルギーを抽出する1つまたは複数のステージを備える。各ステージは、タービンブレードを担持する下流ロータの前に固定タービンノズルを備える。これら「高温部」部品は、金属合金の熱腐食および酸化を促進する極高温環境で稼働する。 A typical gas turbine engine includes a turbomachine core having a high pressure compressor, a combustor, and a high pressure turbine in series flow relationship. The core can be operated in a known manner to produce a primary gas stream. The high pressure turbine includes one or more stages that extract energy from the primary gas stream. Each stage includes a fixed turbine nozzle in front of a downstream rotor carrying turbine blades. These “hot parts” parts operate in extremely hot environments that promote thermal corrosion and oxidation of metal alloys.
従来技術では、高温部部品は、典型的には、「超合金」として従来から知られている、良好な高温クリープ耐性を有するニッケルまたはコバルトに基づく合金で鋳造される。こうした合金は、主に、クリープ破断強度および疲労強度等の機械的特性要件を満たすように設計される。鋳造プロセスは、所望の微細構造、例えば、一方向凝固(「DS」)または単結晶(「SX」)を生成するように制御される。単結晶微細構造は、結晶学的粒界のない構造を指す。単結晶鋳造には、シードエレメント(すなわち、核生成冷却点)、および冷却中の温度を注意深く制御することが必要である。しかしながら、そのような構造の生産は高価であり、製造収率が比較的低い。 In the prior art, hot zone parts are typically cast from nickel or cobalt based alloys with good high temperature creep resistance, conventionally known as “superalloys”. Such alloys are primarily designed to meet mechanical property requirements such as creep rupture strength and fatigue strength. The casting process is controlled to produce the desired microstructure, eg, directional solidification (“DS”) or single crystal (“SX”). Single crystal microstructure refers to a structure without crystallographic grain boundaries. Single crystal casting requires careful control of the seed element (ie, the nucleation cooling point) and the temperature during cooling. However, the production of such a structure is expensive and the production yield is relatively low.
したがって、より高い高温クリープ耐性および応力破断耐性を有するガスタービンエンジン部品の必要性が存在する。 Accordingly, there is a need for gas turbine engine components that have higher high temperature creep resistance and stress rupture resistance.
本発明は、負の熱膨張係数(「CTE」)構造が組み込まれている金属部品を提供することにより、この必要性に取り組むものである。 The present invention addresses this need by providing a metal part that incorporates a negative coefficient of thermal expansion ("CTE") structure.
本発明の1つの態様によると、タービン部品は、対向する内部表面および外部表面を有し、ガスタービンエンジンの燃焼ガス流を導くように構成されている金属壁、および上記表面の1つに強固に取り付けられている金属製の負のCTE構造を備える。 In accordance with one aspect of the present invention, a turbine component is rigid to one of the above surfaces and a metal wall that has opposing internal and external surfaces and is configured to direct the combustion gas flow of a gas turbine engine. With a metal negative CTE structure attached to.
本発明の別の態様によると、上記負のCTE構造は、上記内部表面に強固に取り付けられている。 According to another aspect of the invention, the negative CTE structure is firmly attached to the internal surface.
本発明の別の態様によると、上記負のCTE構造は、上記金属壁と一体的に形成されている。 According to another aspect of the invention, the negative CTE structure is integrally formed with the metal wall.
本発明の別の態様によると、上記金属壁は、ガスタービンエンジン翼形部の一部を形成する。 According to another aspect of the invention, the metal wall forms part of a gas turbine engine airfoil.
本発明の別の態様によると、上記金属壁は、翼形部の圧力側壁または吸引側壁である。 According to another aspect of the invention, the metal wall is a pressure or suction side wall of the airfoil.
本発明の別の態様によると、上記負のCTE構造は、六角形セルの反復配列を含む。 According to another aspect of the invention, the negative CTE structure comprises a repeating array of hexagonal cells.
本発明の別の態様によると、上記負のCTE構造は、略砂時計形セルの反復二次元配列を含み、各セルは、2つの離間された凸面壁により結合されている2つの離間された凹面壁を有する。 According to another aspect of the present invention, the negative CTE structure includes a repetitive two-dimensional array of generally hourglass-shaped cells, each cell having two spaced concave surfaces joined by two spaced convex walls. Has a wall.
本発明の別の態様によると、上記負のCTE構造は、四角形の形状を有するセルの反復二次元配列を含む。 According to another aspect of the present invention, the negative CTE structure includes a repeating two-dimensional array of cells having a rectangular shape.
本発明の別の態様によると、上記壁は、対向する離間された外側層を含み、負のCTE構造が、上記外側層の間の空間を満たしている。 According to another aspect of the present invention, the wall includes opposing spaced outer layers, and a negative CTE structure fills the space between the outer layers.
本発明の別の態様によると、部品を製作するための方法であって、金属粉末を作業平面に配置すること;指向性エネルギー源からのビームを誘導して、上記部品の断面層に対応するパターンに従って上記粉末を融合させること;上記配置および融合のステップを周期的に繰り返して、層ごとに壁を構築し、上記壁が、対向する内部表面および外部表面を有し、上記壁が、ガスタービンエンジンの燃焼ガス流を導くように構成されていること;および金属製の負のCTE構造を、上記表面の1つと一体的に形成させることを含む方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, a method for fabricating a part comprising placing a metal powder in a work plane; directing a beam from a directional energy source to accommodate a cross-sectional layer of the part Fusing the powder according to a pattern; periodically repeating the placing and fusing steps to build a wall for each layer, the wall having opposing inner and outer surfaces, the wall being a gas A method is provided that is configured to direct a combustion gas flow of a turbine engine; and forming a metallic negative CTE structure integrally with one of the surfaces.
本発明の別の態様によると、上記負のCTE構造は、上記内部表面と一体的に形成されている。 According to another aspect of the invention, the negative CTE structure is integrally formed with the internal surface.
本発明の別の態様によると、上記壁は、ガスタービンエンジン翼形部の圧力側壁または吸引側壁である。 According to another aspect of the invention, the wall is a pressure sidewall or suction sidewall of a gas turbine engine airfoil.
本発明の別の態様によると、上記負のCTE構造は、六角形セルの反復配列を含む。 According to another aspect of the invention, the negative CTE structure comprises a repeating array of hexagonal cells.
本発明の別の態様によると、上記負のCTE構造は、略砂時計形セルの反復二次元配列を含み、各セルは、2つの離間された凸面壁により結合されている2つの離間された凹面壁を有する。 According to another aspect of the present invention, the negative CTE structure includes a repetitive two-dimensional array of generally hourglass-shaped cells, each cell having two spaced concave surfaces joined by two spaced convex walls. Has a wall.
本発明の別の態様によると、上記負のCTE構造は、四角形の形状を有するセルの反復二次元配列を含む。 According to another aspect of the present invention, the negative CTE structure includes a repeating two-dimensional array of cells having a rectangular shape.
本発明の別の態様によると、上記壁は、対向する離間された外側層を備えており、負のCTE構造が、上記外側層の間の空間を満たしている。 According to another aspect of the invention, the wall includes opposing spaced outer layers, and a negative CTE structure fills the space between the outer layers.
本発明は、添付の図面と共に以下の説明を参照すると、最も良く理解することができる。 The invention can best be understood with reference to the following description taken in conjunction with the accompanying drawings.
本図面では、同一の参照番号は、種々の図の全体にわたって同じ要素を示す。本図面を参照すると、図1には、例示的なタービンブレード10が示されている。タービンブレード10は、従来型ダブテール12を備えており、それは、作動中に回転する際にタービンブレード10をディスクに放射状に保持するためのローターディスク(図示せず)のダブテールスロットの相補的特徴と係合する特徴を含む任意の好適な形態を有していてもよい。ブレードシャンク14は、ダブテール12から放射状に上方へと延在し、シャンク14から横方向に外側へと突出し、シャンク14を取り囲むプラットフォーム16で終端する。中空翼形部18は、プラットフォーム16から高温ガス流へと放射状に外側へと延在する。この翼形部は、プラットフォーム16および翼形部18の接続部に基部20を有し、その放射状外側端部に先端22を有する。翼形部18は、前縁28および後縁30で共に結合されている凹面圧力側壁24および凸面吸引側壁26を有する。圧力側壁24および吸引側壁26は、一緒になって内部空間を包囲する周壁を構成し、周壁は、内部空間に面する内部表面を有し、対向する外部表面は、外部環境に面している。翼形部18は、高温ガス流からエネルギーを抽出し、ローターディスクの回転を引き起こすのに好適な任意の構成をとることができる。翼形部18には、翼形部18の圧力側壁24に複数の後縁冷却穴32が組み込まれていてもよく、または幾つかの後縁ブリードスロット(図示せず)が組み込まれていてもよい。翼形部18の先端22は、翼形部18と一体化されていてもよく、別々に形成されていてもよく、または翼形部18に取り付けられていてもよい先端蓋34により閉じられている。直立スキーラ先端36は、先端蓋34から放射状に外側へと延在しており、先端22を通過する気流ロスを最小限に抑えるために、組み立てられたエンジンの固定シュラウド(図示せず)のすぐ近くに配置される。スキーラ先端36は、圧力側先端壁40と離間した関係に配置されている吸引側先端壁38を備える。先端壁40および38は、翼形部18と一体化されており、それぞれ圧力側壁24および吸引側壁26の延長を形成する。圧力側先端壁40および吸引側先端壁38の外側表面は、それぞれ圧力側壁24および吸引側壁26の外側表面と連続表面を形成する。複数のフィルム冷却孔44が、翼形部18の外部壁を貫通している。フィルム冷却孔44は、翼形部18の内部空間と連通している。図5および6に示されているように、翼形部18の内部は、蛇行構成等の複雑な構成をしている、内部壁46により規定される冷却通路を備えていてもよい。 In the drawings, like reference numerals designate like elements throughout the various views. Referring now to the drawings, an exemplary turbine blade 10 is shown in FIG. The turbine blade 10 includes a conventional dovetail 12, which is complementary to the dovetail slot feature of a rotor disk (not shown) for holding the turbine blade 10 radially to the disk as it rotates during operation. It may have any suitable form including engaging features. The blade shank 14 extends radially upward from the dovetail 12, projects laterally outward from the shank 14 and terminates in a platform 16 surrounding the shank 14. The hollow airfoil 18 extends radially outward from the platform 16 to the hot gas stream. The airfoil has a base 20 at the connection between the platform 16 and the airfoil 18 and a tip 22 at its radially outer end. The airfoil 18 has a concave pressure sidewall 24 and a convex suction sidewall 26 joined together at a leading edge 28 and a trailing edge 30. The pressure side wall 24 and the suction side wall 26 together form a peripheral wall that surrounds the internal space, the peripheral wall having an internal surface facing the internal space, and the opposing external surfaces facing the external environment. . The airfoil 18 can take any configuration suitable for extracting energy from the hot gas stream and causing rotation of the rotor disk. The airfoil 18 may incorporate a plurality of trailing edge cooling holes 32 in the pressure sidewall 24 of the airfoil 18 or may incorporate several trailing edge bleed slots (not shown). Good. The tip 22 of the airfoil 18 may be integrated with the airfoil 18, may be formed separately, or closed by a tip lid 34 that may be attached to the airfoil 18. Yes. An upright squealer tip 36 extends radially outward from the tip lid 34 and is positioned immediately below the assembled engine stationary shroud (not shown) to minimize airflow loss through the tip 22. Located nearby. The squealer tip 36 includes a suction side tip wall 38 disposed in a spaced relationship with the pressure side tip wall 40. Tip walls 40 and 38 are integral with airfoil 18 and form extensions of pressure side wall 24 and suction side wall 26, respectively. The outer surfaces of the pressure side tip wall 40 and the suction side tip wall 38 form a continuous surface with the outer surfaces of the pressure side wall 24 and the suction side wall 26, respectively. A plurality of film cooling holes 44 pass through the outer wall of the airfoil 18. The film cooling hole 44 communicates with the internal space of the airfoil 18. As shown in FIGS. 5 and 6, the interior of the airfoil 18 may include a cooling passage defined by an inner wall 46 having a complex configuration, such as a serpentine configuration.
十分なクリープ破断強度および疲労強度を得るために、ならびに熱腐食および酸化を防止するために、タービンブレード10は、「超合金」として従来から知られている、ニッケルまたはコバルトに基づく合金等の、良好な高温クリープ耐性を有する材料で製作されている。そのような超合金を含む材料は全て、温度の変化に応じて膨張または収縮する。熱膨張係数または「CTE」と呼ばれる材料特性は、温度の変化に対する材料の大きさ(つまり、容積または線寸法)の変化に関する。一般的に、CTEは、それぞれ、αV=1/V(dV/dT)またはαL=1/L(dL/dT)として表され、式中、αはCTEであり、Vは容積であり、Lは長さであり、Tは温度である。 In order to obtain sufficient creep rupture strength and fatigue strength, and to prevent thermal corrosion and oxidation, the turbine blade 10 is made of an alloy based on nickel or cobalt, conventionally known as “superalloys”, such as Made of material with good high temperature creep resistance. All materials including such superalloys expand or contract in response to temperature changes. A material property called coefficient of thermal expansion or “CTE” relates to a change in material size (ie volume or linear dimension) with changes in temperature. Generally, CTE is expressed as α V = 1 / V (dV / dT) or α L = 1 / L (dL / dT), respectively, where α is CTE and V is volume. , L is the length and T is the temperature.
超合金を含むほとんどの材料は、正のCTEを有する。これは、均質な固塊、例えば矩形固形物を考慮した場合、それらの寸法が、温度の上昇と共に増加することを意味する。正のCTEは、クリープによる増大化および破断による不良部品の可能性に寄与する要因である。 Most materials, including superalloys, have a positive CTE. This means that when considering homogeneous solid masses such as rectangular solids, their dimensions increase with increasing temperature. Positive CTE is a factor that contributes to the increase in creep and the possibility of defective parts due to breakage.
幾つかの構造は、構成材料が正のCTEを有している場合でも、それらの幾何学的構成の結果として負のCTEを示す。言いかえれば、この構造の寸法は、温度が上昇すると共に減少する。本明細書で使用される場合、用語「負のCTE構造」は、こうした特性を示すあらゆる構造を指す。 Some structures exhibit a negative CTE as a result of their geometric configuration, even if the construction material has a positive CTE. In other words, the dimensions of this structure decrease with increasing temperature. As used herein, the term “negative CTE structure” refers to any structure that exhibits these properties.
図2〜4には、負のCTEを示す幾つかの公知の構造の例が示されている。図2は、セル48の反復二次元配列を含むハニカム構造であり、各セル48は、壁63により規定される規則的な六角形である。 Figures 2-4 show examples of some known structures that exhibit a negative CTE. FIG. 2 is a honeycomb structure including a repetitive two-dimensional array of cells 48, each cell 48 being a regular hexagon defined by walls 63.
図3は、概して砂時計の形状であり、複数の壁52により規定されるセル50の反復二次元配列を含むパターンである。各セル50は、そのセル50に対して凸面である2つの壁52’により結合されている、そのセル50に対して凹面である2つの壁52を有する。各セル50は、その隣り合わせのセル50に対して90度回転している。その結果、第1のセル50の各凹面壁52は、隣り合わせのセル50の凸面壁52’も規定する。 FIG. 3 is a pattern that is generally hourglass-shaped and includes a repetitive two-dimensional array of cells 50 defined by a plurality of walls 52. Each cell 50 has two walls 52 that are concave with respect to that cell 50 connected by two walls 52 ′ that are convex with respect to that cell 50. Each cell 50 is rotated 90 degrees with respect to its adjacent cell 50. As a result, each concave wall 52 of the first cell 50 also defines a convex wall 52 ′ of adjacent cells 50.
図4は、四角形の形状を有するセル54の反復二次元配列を含むパターンである。 FIG. 4 is a pattern including a repeating two-dimensional array of cells 54 having a rectangular shape.
翼形部18には、熱膨張相殺効果を提供するために、負のCTE構造が組み込まれている。図5および6に最も良好に示されているが、図示されている例では、負のCTE構造は、それぞれ圧力側壁24および吸引側壁26の内側表面と一体的に形成されている上述の六角形セル48のパターンを含む。負のCTE構造は、翼形部周壁の全てをカバーしてもよく、または選択部分をカバーしてもよい。図示されているように、負のCTE構造は連続的であるが、翼形部18内の局地的な領域に施されていてもよい。セル48を規定する壁63は、厚さまたは深さ「T1」を有し、それは、翼形部周壁の全体の厚さ「T2」の一部である。厚さまたは深さT1がより大きいと、熱膨張相殺効果がより大きくなると共に、翼形部周壁の嵩がより大きく低減されることが予想される。したがって、正確な厚さ割合または比T1/T2は、特定の応用の要件に応じて選択されることになる。平面図では(図2を参照)、セル48は、主寸法または直径「D」を有する。この寸法も、壁63の厚さ「W」と共に、特定の応用に応じて様々であろう。 The airfoil 18 incorporates a negative CTE structure to provide a thermal expansion cancellation effect. Although best shown in FIGS. 5 and 6, in the illustrated example, the negative CTE structure is a hexagon described above that is integrally formed with the inner surfaces of the pressure sidewall 24 and the suction sidewall 26, respectively. Contains a pattern of cells 48. The negative CTE structure may cover all of the airfoil peripheral wall or may cover selected portions. As shown, the negative CTE structure is continuous, but may be applied to a localized area within the airfoil 18. The wall 63 defining the cell 48 has a thickness or depth “T1”, which is part of the overall thickness “T2” of the airfoil peripheral wall. When the thickness or the depth T1 is larger, it is expected that the thermal expansion canceling effect becomes larger and the bulk of the airfoil peripheral wall is further reduced. Thus, the exact thickness ratio or ratio T1 / T2 will be selected according to the requirements of the particular application. In plan view (see FIG. 2), the cell 48 has a major dimension or diameter “D”. This dimension, as well as the thickness “W” of the wall 63, will vary depending on the particular application.
熱膨張相殺効果のみを考慮すると、負のCTE構造は、翼形部18の外部表面に配置されてもよいが、翼形部の空気力学的特徴の維持および翼形部18への熱伝達の回避等の実用上の理由のため、負のCTE構造は、好ましくは、翼形部周壁の内部表面に配置される。 Considering only the thermal expansion canceling effect, a negative CTE structure may be placed on the outer surface of the airfoil 18, but maintaining the aerodynamic characteristics of the airfoil and heat transfer to the airfoil 18. For practical reasons such as avoidance, the negative CTE structure is preferably located on the inner surface of the airfoil peripheral wall.
負のCTE構造は、翼形部18に強固に取り付けられている「足場」を規定する。負のCTE構造は、翼形部18の単一の、一体型の、または一体化された構造または要素であってもよい。翼形部18は、高温環境下で稼働し、熱負荷および機械負荷、ならびに基材合金のCTEが正であることにより起こるクリープおよび応力破断の可能性にさらされている。しかしながら、負のCTE構造は、高温に応答して収縮するため、部品の増大化を相殺する対抗力を提供する。また、これにより部品破断に対する安全性許容範囲が提供される。 The negative CTE structure defines a “scaffold” that is firmly attached to the airfoil 18. The negative CTE structure may be a single, integral or integrated structure or element of the airfoil 18. The airfoil 18 operates in a high temperature environment and is exposed to the potential for creep and stress rupture caused by thermal and mechanical loads and the positive CTE of the base alloy. However, the negative CTE structure shrinks in response to high temperatures, thus providing a counter force that counteracts the increase in parts. This also provides a safety tolerance for component breakage.
なお、上述のタービンブレード10は、本明細書では一般的に「C」として示されている、負のCTE構造を組み込むことができる多数のタイプの部品の一例に過ぎないことに留意されたい。こうした原理が適用されるタービン部品の非限定的な例としては、回転翼形部(例えば、ブレード、バケット)、非回転翼形部(例えば、タービンバケット、ベーン)、タービンシュラウド、および燃焼器部品が挙げられる。これら部品の各々は、内部表面および外部表面を有する壁を有しており、上記壁が、ガスタービンエンジンの稼働中に燃焼ガス流を誘導または導くように形成されているという共通の特徴を有する。 It should be noted that the turbine blade 10 described above is only one example of many types of components that can incorporate a negative CTE structure, generally referred to herein as “C”. Non-limiting examples of turbine components to which these principles apply include rotating airfoils (eg, blades, buckets), non-rotating airfoils (eg, turbine buckets, vanes), turbine shrouds, and combustor components Is mentioned. Each of these components has a common feature that the wall has an interior surface and an exterior surface, the wall being formed to induce or direct a combustion gas flow during operation of the gas turbine engine. .
また、負のCTE構造は、部品壁の内部構造に直接組み込むこともできる。例えば、図13および14には、一般的に、上述の圧力側壁24または吸引側壁26等のタービン部品壁に代表される、壁228の部分が示されている。壁228は、対向する離間された外側層230および232を備えており、負のCTE構造234が、上記外側層の間の空間を満たしている。 The negative CTE structure can also be incorporated directly into the internal structure of the component wall. For example, FIGS. 13 and 14 show a portion of wall 228, typically represented by a turbine component wall, such as pressure side wall 24 or suction side wall 26 described above. Wall 228 includes opposing spaced outer layers 230 and 232, and a negative CTE structure 234 fills the space between the outer layers.
上述のような負のCTE構造が組み込まれている部品Cは、そのような小型内部構造を従来の鋳造または機械加工プロセスを使用して製造することが困難または不可能であるため、積層造形法を使用した生産に特に適している。図7には、積層造形方法を実施するための装置100が概略的に示されている。基本部品は、テーブル112、粉末供給114、スクレーパ116、オーバーフロー容器118、構築囲壁122に囲まれていてもよい構築プラットフォーム120、指向性エネルギー源124、およびビームステアリング装置126である。これら部品の各々は、下記でより詳細に説明されるだろう。また、装置100は、随意に、下記で説明されることになる外部熱制御装置を備える。 The component C incorporating the negative CTE structure as described above is difficult or impossible to manufacture such a small internal structure using conventional casting or machining processes, and so is the additive manufacturing method. It is particularly suitable for production using FIG. 7 schematically shows an apparatus 100 for carrying out the additive manufacturing method. The basic parts are a table 112, a powder supply 114, a scraper 116, an overflow container 118, a build platform 120 that may be surrounded by a build enclosure 122, a directional energy source 124, and a beam steering device 126. Each of these parts will be described in more detail below. The device 100 also optionally includes an external heat control device that will be described below.
テーブル112は、平坦な作業表面128を提供する剛性構造である。作業表面128は、仮想作業平面と同一平面上にあり、仮想作業平面を規定する。図示されている例では、作業表面128は、構築囲壁122と連通し、構築プラットフォーム120を露出させる中央開口部130、粉末供給114と連通する供給開口部132、およびオーバーフロー容器118と連通するオーバーフロー開口部134を備えている。 The table 112 is a rigid structure that provides a flat work surface 128. The work surface 128 is coplanar with the virtual work plane and defines a virtual work plane. In the illustrated example, the work surface 128 communicates with the building enclosure 122 and exposes the building platform 120, a central opening 130 that communicates with the powder feed 114, and an overflow opening that communicates with the overflow container 118. Part 134 is provided.
スクレーパ116は、作業表面128にある剛性で横長の構造物である。スクレーパ116は、スクレーパ116を作業表面128に沿って選択的に移動させるように作動可能なアクチュエータ136に接続されている。アクチュエータ136は、図7に概略的に示されており、空気圧または油圧シリンダー、ボールねじ、または線形電動アクチュエータ等のアンダスタンディングデバイス等と共に、この目的に使用することができる。 The scraper 116 is a rigid, horizontally long structure on the work surface 128. The scraper 116 is connected to an actuator 136 that is operable to selectively move the scraper 116 along the work surface 128. The actuator 136 is shown schematically in FIG. 7 and can be used for this purpose with understanding devices such as pneumatic or hydraulic cylinders, ball screws, or linear electric actuators.
粉末供給114は、供給開口部の下部にあり、供給開口部と連通する供給容器138、およびエレベータ140を備える。エレベータ140は、供給容器138内で垂直に滑動可能なプレート様構造である。エレベータ140は、エレベータ140を上下に選択的に移動させるように作動可能なアクチュエータ142に接続されている。アクチュエータ142は、図7に概略的に示されており、空気圧または油圧シリンダー、ボールねじ、または線形電動アクチュエータ等のアンダスタンディングデバイス等と共に、この目的に使用することができる。エレベータ140を降下させると、所望の合金組成の金属粉末「P」の供給を、供給容器138に積み込むことができる。エレベータ140を上昇させると、粉末Pは、作業表面128の上に露出する。 The powder supply 114 is provided below the supply opening and includes a supply container 138 communicating with the supply opening, and an elevator 140. The elevator 140 is a plate-like structure that can slide vertically within the supply container 138. The elevator 140 is connected to an actuator 142 that is operable to selectively move the elevator 140 up and down. The actuator 142 is shown schematically in FIG. 7 and can be used for this purpose with understanding devices such as pneumatic or hydraulic cylinders, ball screws, or linear electric actuators. When the elevator 140 is lowered, a supply of metal powder “P” having a desired alloy composition can be loaded into the supply container 138. When the elevator 140 is raised, the powder P is exposed on the work surface 128.
構築プラットフォーム120は、中央開口部130の下方で垂直に滑動可能なプレート様構造である。構築プラットフォーム120は、構築プラットフォーム120を選択的に上下に移動させるように作動可能なアクチュエータ121に接続されている。アクチュエータ121は、図7に概略的に示されており、空気圧または油圧シリンダー、ボールねじ、または線形電動アクチュエータ等のアンダスタンディングデバイス等と共に、この目的に使用することができる。 The build platform 120 is a plate-like structure that is slidable vertically below the central opening 130. The build platform 120 is connected to an actuator 121 that is operable to selectively move the build platform 120 up and down. The actuator 121 is shown schematically in FIG. 7 and can be used for this purpose with understanding devices such as pneumatic or hydraulic cylinders, ball screws, or linear electric actuators.
オーバーフロー容器118は、オーバーフロー開口部134の下部にあり、オーバーフロー開口部134と連通しており、過剰な粉末Pの収納容器としての役目を果たす。 The overflow container 118 is located below the overflow opening 134 and communicates with the overflow opening 134, and serves as a container for storing excess powder P.
指向性エネルギー源124は、以下で詳述されているように、構築プロセス中に好適な出力および他の作動特徴のビームを生成し、金属粉末を融解および融合させるように作動可能な任意の公知のデバイスを備えていてもよい。例えば、指向性エネルギー源124は、桁数が約104W/cm2の出力密度を有するレーザであってもよい。電子ビーム銃等の他の指向性エネルギー源は、レーザの代わりとなる好適なものである。 The directional energy source 124 generates any beam of suitable power and other operational characteristics during the build process, as detailed below, and can be any known operable to melt and fuse the metal powder. The device may be provided. For example, the directional energy source 124 may be a laser having a power density on the order of 10 4 W / cm 2 . Other directional energy sources such as electron beam guns are suitable alternatives to lasers.
ビームステアリング装置126は、1つまたは複数の鏡、プリズム、および/またはレンズを備え、好適なアクチュエータが設けられており、指向性エネルギー源124からのビーム「B」を、所望のスポットサイズに集中させることができ、作業表面128と一致するX−Y平面の所望の位置に導くことができるように配置されている。 The beam steering device 126 includes one or more mirrors, prisms, and / or lenses and is provided with suitable actuators to concentrate the beam “B” from the directional energy source 124 to the desired spot size. And is arranged so that it can be directed to a desired position in the XY plane that coincides with the work surface 128.
本明細書で使用される場合、用語「外部熱制御装置」は、構築プラットフォーム120に位置決めされている部品Cを適切な溶解化温度に維持し(つまり、所定温度プロファイルを維持し)、したがって、構築中に凝固する粉末Pの結晶学的特性を制御するのに有効な、指向性エネルギー源124以外の装置を指す。下記でより詳細に説明されることになるが、外部熱制御装置は、熱源(つまり、熱エネルギー入力)として直接作用することにより、または指向性エネルギー加熱プロセスにより生じる熱を保持することにより作動してもよい。 As used herein, the term “external thermal control device” maintains the part C positioned on the build platform 120 at an appropriate melting temperature (ie, maintains a predetermined temperature profile), and thus A device other than the directional energy source 124 that is effective in controlling the crystallographic properties of the powder P that solidifies during construction. As will be described in more detail below, the external thermal control device operates by acting directly as a heat source (ie, thermal energy input) or by retaining heat generated by a directional energy heating process. May be.
様々な種類の外部熱制御装置の例が、図5〜12に示されている。図7および8では、断熱材144の層が構築囲壁122を取り囲んでいる。断熱材144は、構築中の部品Cからの熱伝達を効果的に妨害し、それによりその冷却速度を低減し、高温を維持する。 Examples of various types of external heat control devices are shown in FIGS. In FIGS. 7 and 8, a layer of insulation 144 surrounds the building enclosure 122. The insulation 144 effectively impedes heat transfer from the part C being built, thereby reducing its cooling rate and maintaining a high temperature.
図9および10には、1つまたは複数のヒータを含む外部熱制御装置が図示されている。ベルト型電気抵抗ヒータ146は、構築囲壁122の外部を包み込み、電源148に接続されている。電源を入れると、ヒータ146は、熱伝導により構築囲壁122(およびしたがって内部の部品C)を加熱する。 9 and 10 illustrate an external thermal control device that includes one or more heaters. The belt-type electric resistance heater 146 wraps the outside of the construction wall 122 and is connected to the power source 148. When turned on, the heater 146 heats the building enclosure 122 (and thus the internal part C) by heat conduction.
別の随意のタイプの外部熱制御装置は、輻射熱源である。例えば、図9には、部品Cが見通せるように配置され、電源152に接続されている石英灯150(石英ハロゲンランプとも呼ばれる)が示されている。そのようなランプは、各々定格出力が数千ワットのものが市販されている。電源を入れると、石英灯150は、放射伝熱により部品Cを加熱する。石英灯150は、上述のベルト型ヒータ146の代わりにまたは追加して使用することができる。 Another optional type of external heat control device is a radiant heat source. For example, FIG. 9 shows a quartz lamp 150 (also referred to as a quartz halogen lamp) that is arranged so that the component C can be seen through and is connected to a power source 152. Such lamps are commercially available, each with a rated output of several thousand watts. When the power is turned on, the quartz lamp 150 heats the component C by radiant heat transfer. The quartz lamp 150 can be used instead of or in addition to the belt-type heater 146 described above.
外部熱制御装置の別の選択肢は、誘導加熱であり、誘導コイルを流れるAC電流が磁場を誘導し、それがひいては付近の導電性物体に渦電流を誘導し、物体の抵抗加熱をもたらす。図11および12に示されている例では、誘導ヒータ154は、構築プラットフォーム120を取り囲み、電源158に接続されている1つまたは複数の個々の誘導コイル156を備える。図示されている例では、複数の誘導コイル156が設けられている。電源を入れると、誘導ヒータ154は、効果的に部品Cを加熱する。本発明者らによる実験によると、このタイプの外部誘導ヒータ154は、固まっていない粉末Pを融解またはそうでなければ部品Cに付着させる程には加熱せずに、粉末床内の融解/凝固した部品Cを優先的に加熱することになることが示されている。 Another option for an external thermal controller is induction heating, where the AC current flowing through the induction coil induces a magnetic field, which in turn induces eddy currents in nearby conductive objects, resulting in resistive heating of the objects. In the example shown in FIGS. 11 and 12, the induction heater 154 includes one or more individual induction coils 156 that surround the build platform 120 and are connected to a power source 158. In the illustrated example, a plurality of induction coils 156 are provided. When the power is turned on, the induction heater 154 effectively heats the component C. Experiments by the present inventors have shown that this type of external induction heater 154 does not heat the solidified powder P to the melting or otherwise adhere to the part C without melting / solidifying the powder bed. It has been shown that preferential heating of the part C will be performed.
上述の装置を使用した部品「C」の構築プロセスは、下記の通りである。構築プラットフォーム120を、初期高さ位置に移動させる。随意に、シードエレメント160(図2を参照)を、最初に構築プラットフォーム120に設置してもよい。シードエレメント160は、核生成冷却点としての役目を果たし、選択した結晶学的構造を有する。単結晶部品Cを製造することが所望の場合、シードエレメントは、単結晶微細構造を有することになる。そのようなシードエレメント160は、公知の技術により製造することができる。シードエレメント160を配置したら、選択した層増加分だけ構築プラットフォーム120を作業表面128の下方に降下させる。層増加分は、部品Cの速度および分解能に影響を及ぼす。一例として、層増加分は、約10〜50マイクロメートル(0.0003〜0.002インチ)であってもよい。その後、粉末「P」を、構築プラットフォーム120およびシードエレメント160に被せて配置する。例えば、供給容器138のエレベータ140を上昇させて、粉末を供給開口部132から押し出して、作業表面128の上に露出させてもよい。スクレーパ116を作業表面の向こう側に移動させて、押し上げられた粉末Pを構築プラットフォーム120にわたって水平に広げる。過剰な粉末Pは全て、スクレーパ116が左から右へと通過する際に、オーバーフロー開口部134からオーバーフロー容器118へと落下する。その後、スクレーパ116を、開始位置に戻してもよい。 The construction process of the part “C” using the above-described apparatus is as follows. The build platform 120 is moved to the initial height position. Optionally, seed element 160 (see FIG. 2) may be initially installed on build platform 120. The seed element 160 serves as a nucleation cooling point and has a selected crystallographic structure. If it is desired to produce a single crystal part C, the seed element will have a single crystal microstructure. Such a seed element 160 can be manufactured by a known technique. Once seed element 160 is in place, build platform 120 is lowered below work surface 128 by the selected layer increment. The layer increment affects the speed and resolution of part C. As an example, the layer increment may be about 10 to 50 micrometers (0.0003 to 0.002 inches). The powder “P” is then placed over the build platform 120 and the seed element 160. For example, the elevator 140 of the supply container 138 may be raised to push powder out of the supply opening 132 and expose it on the work surface 128. The scraper 116 is moved across the work surface to spread the pushed up powder P horizontally across the build platform 120. Any excess powder P falls from the overflow opening 134 to the overflow container 118 as the scraper 116 passes from left to right. Thereafter, the scraper 116 may be returned to the start position.
指向性エネルギー源124を使用して、構築中の部品Cの二次元断面を融解する。指向性エネルギー源124は、ビーム「B」を放射し、ビームステアリング装置126を使用して、ビームBの焦点スポット「S」を、露出している粉末表面に当てて適切なパターンで誘導またはスキャンする。ビームBで粉末Pの露出層をある温度に加熱して、粉末を融解、流動化、および凝固させる。 A directional energy source 124 is used to melt the two-dimensional cross section of the part C being built. Directional energy source 124 emits beam “B” and uses beam steering device 126 to direct or scan beam B's focal spot “S” against the exposed powder surface in an appropriate pattern. To do. Beam B exposes the exposed layer of powder P to a temperature to melt, fluidize, and solidify the powder.
構築プラットフォーム120を、層増加分だけ垂直下方に移動させ、粉末Pの別の層を同様の厚さに被せる。指向性エネルギー源124は、再びビームBを放射し、ビームステアリング装置126を使用して、ビームBの焦点スポット「S」を、露出している粉末表面に当てて適切なパターンで誘導またはスキャンする。ビームBで粉末Pの露出層をある温度に加熱して、粉末を、上部層内でかつその前に凝固した層と共に、融解、流動化、および凝固させる。 The build platform 120 is moved vertically downward by the layer increment and another layer of powder P is covered to a similar thickness. Directional energy source 124 emits beam B again and uses beam steering device 126 to direct or scan beam B's focal spot “S” against the exposed powder surface in an appropriate pattern. . Beam B exposes the exposed layer of powder P to a temperature, causing the powder to melt, fluidize, and solidify with the layer solidified in and before the upper layer.
構築プラットフォーム120の移動、粉末Pの被覆、およびその後の指向性エネルギーでの粉末の融解というこのサイクルを、部品C全体が完成するまで繰り返す。使用するスキャンパターンは、負のCTE構造が、部品Cの一体型部分として形成されるように選択される。 This cycle of building platform 120 movement, powder P coating, and subsequent melting of the powder with directional energy is repeated until the entire part C is complete. The scan pattern used is selected such that the negative CTE structure is formed as an integral part of part C.
部品Cの合金組成は、均一である必要はない。積層造形プロセス中に粉末Pの組成を変更することにより組成を変化させて、部品Cの様々な層または区画を生成することができる。例えば、図1に示されている翼形部18は、第1の合金組成を有する放射状の内側部分または本体部分17(点線より下)、および第1の合金組成とは異なる第2の合金組成を有する放射状の外部部分または先端部分19(点線より上)を有していてもよい。 The alloy composition of part C need not be uniform. By changing the composition of the powder P during the additive manufacturing process, the composition can be varied to produce various layers or compartments of the part C. For example, the airfoil 18 shown in FIG. 1 includes a radial inner or body portion 17 (below the dotted line) having a first alloy composition, and a second alloy composition that is different from the first alloy composition. May have a radial outer portion or tip portion 19 (above the dotted line).
部品Cを随意に単結晶微細構造で形成する場合、それには、製造中の部品Cの全体にわたって温度および冷却速度を制御する必要がある。指向性エネルギー熱入力は、新しい層が活発に築かれている場所の近くにある部品Cの最上部分に必要な温度を維持するのに十分であるが、その全範囲には不十分である。この問題に取り組むために、本発明の方法では、粉末配置および指向性エネルギー融解のサイクル中に外部熱制御装置が使用される。 If the part C is optionally formed with a single crystal microstructure, this requires controlling the temperature and cooling rate throughout the part C being manufactured. Directional energy heat input is sufficient to maintain the required temperature at the top of part C near where the new layer is actively being built, but not enough for its full range. To address this problem, the method of the present invention uses an external thermal control device during the powder placement and directional energy melting cycle.
外部熱制御装置は、部品C全体の温度および加熱速度を両方とも制御するように作動可能である。例えば、1つの公知の溶解化熱処理は、(1)部品を約1260℃(2300°F)に約2時間加熱して、微細構造を均質化するステップ、(2)約1260℃(2300°F)から約1320℃(2415°F)の溶解化温度まで毎時約5.5℃(10°F)の速度で温度を徐々に上昇させるステップ、その後(3)部品をその温度で約2時間維持するステップ、引き続き(4)約1120℃(2050°F)の時効温度に3分以内で冷却するステップを含む。 The external thermal control device is operable to control both the temperature and heating rate of the entire part C. For example, one known solution heat treatment includes (1) heating the part to about 1260 ° C. (2300 ° F.) for about 2 hours to homogenize the microstructure, and (2) about 1260 ° C. (2300 ° F.). ) To a solubilization temperature of about 1320 ° C. (2415 ° F.) at a rate of about 5.5 ° C. (10 ° F.) per hour, and then (3) maintain the part at that temperature for about 2 hours And (4) cooling to an aging temperature of about 1120 ° C. (2050 ° F.) within 3 minutes.
外部熱制御装置は、指向性エネルギー源124と分離しているため、構築プロセスが完了した後で部品Cを時効させること等の他の熱処理プロセスに使用することもできる。例えば、1つの公知の時効プロセスは、部品を時効温度で数時間一次時効させて、所望の微細構造を達成することを含む。 Since the external thermal controller is separate from the directional energy source 124, it can also be used for other heat treatment processes such as aging part C after the build process is complete. For example, one known aging process involves first aging a part for several hours at an aging temperature to achieve the desired microstructure.
本明細書に記載のタービン部品は、幾つかの点で従来技術よりも優れている。負のCTE構造は、部品クリープを相殺し、クリープ破断に対する許容範囲を提供する。負のCTE構造により、より劣った合金でも、重要なエンジンに応用して性能を発揮することができるようになり、単結晶材の必要性を排除することができる可能性がある。また、負のCTE構造は、熱機械システムの一部としての役割を果たし、部品熱伝達のバルク温度を下げることができる。負のCTE構造は、熱伝達を向上させるための従来技術の鋳造タービュレータよりも密度が高い乱流プロモータまたは「タービュレータ」の機能を果たすことができる。同様に、負のCTE構造は、翼形部本体の外側表面および内側表面の壁内に含まれている場合、熱交換体としての役割も果たし、外部壁をより効率的に冷却することができる。 The turbine components described herein are superior to the prior art in several respects. The negative CTE structure offsets part creep and provides tolerance for creep rupture. The negative CTE structure allows even inferior alloys to be used in important engines and exhibit performance, potentially eliminating the need for single crystal materials. The negative CTE structure also serves as part of the thermomechanical system and can lower the bulk temperature of component heat transfer. The negative CTE structure can serve as a turbulent promoter or “turbulator” that is denser than prior art cast turbulators to improve heat transfer. Similarly, the negative CTE structure, when contained within the outer and inner surface walls of the airfoil body, also serves as a heat exchanger and can cool the outer wall more efficiently. .
上記には、負のCTE構造を有するタービン部品、およびそれらを製造するための方法を記載した。本明細書(添付の請求項、要約書、および図面を全て含む)で開示された特徴は全て、および/またはそのように開示された任意の方法またはプロセスのステップは全て、そのような特徴および/またはステップの少なくとも幾つかが相互に排他的である組み合わせを除き、任意の組み合わせで組み合わせることができる。 Above, a turbine component having a negative CTE structure and a method for manufacturing them have been described. All features disclosed in this specification (including all the appended claims, abstracts, and drawings) and / or any method or process steps so disclosed are all such features and Combinations may be combined in any combination except combinations where at least some of the steps are mutually exclusive.
本明細書(添付の請求項、要約書、および図面を全て含む)で開示された各特徴は、別様の明示的な記載がない限り、同一の、均等な、または類似の目的を果たす代替特徴に置き換えることができる。したがって、別様の明示的な記述がない限り、開示された各特徴は、一般的な一連の均等なまたは類似の特徴の1つの例に過ぎない。 Each feature disclosed in this specification (including the appended claims, abstract, and drawings) is an alternative that serves the same, equivalent, or similar purpose unless expressly stated otherwise. Can be replaced with features. Thus, unless expressly stated otherwise, each feature disclosed is one example only of a generic series of equivalent or similar features.
本発明は、先述の実施形態の詳細に限定されない。本発明は、本明細書(あらゆる付随する潜在的な新規性のポイント、要約書、および図面を含む)に開示されている特徴のあらゆる新規なものまたはあらゆる新規な組み合わせ、またはそのように開示されている任意の方法またはプロセスのステップのあらゆる新規なものまたはあらゆる新規な組み合わせに及ぶ。 The present invention is not limited to the details of the foregoing embodiments. The invention is disclosed as any novel or any novel combination of features disclosed herein (including any attendant potential novelty points, abstracts, and drawings) or as such. Covers any novel or any novel combination of steps of any method or process that has.
10 タービンブレード、部品
12 ダブテール
14 ブレードシャンク、シャンク
16 プラットフォーム
17 本体部分
18 中空翼形部、翼形部、ガスタービンエンジン翼形部
19 先端部分
20 基部
22 先端
24 金属壁、凹面圧力側壁、圧力側壁、壁
26 金属壁、凸面吸引側壁、吸引側壁、壁
28 前縁
30 後縁
32 後縁冷却穴
34 先端蓋
36 直立スキーラ先端、スキーラ先端
38 吸引側先端壁、先端壁
40 圧力側先端壁、先端壁
44 フィルム冷却孔
46 内部壁
48 負のCTE構造、六角形セル、セル、
50 負のCTE構造、略砂時計形セル、セル
52’ 壁、凸面壁
52 壁、凹面壁
54 負のCTE構造、四角形の形状を有するセル、セル
63 壁
100 装置
112 テーブル
114 粉末供給
116 スクレーパ
118 オーバーフロー容器
120 構築プラットフォーム
121 アクチュエータ
122 構築囲壁
124 指向性エネルギー源
126 ビームステアリング装置
128 作業表面、作業平面
130 中央開口部
132 供給開口部
134 オーバーフロー開口部
136 アクチュエータ
138 供給容器
140 エレベータ
142 アクチュエータ
144 断熱材
146 ベルト型電気抵抗ヒータ、ヒータ、ベルト型ヒータ
148 電源
150 石英灯
152 電源
154 誘導ヒータ、外部誘導ヒータ
156 誘導コイル
158 電源
160 シードエレメント
228 金属壁、壁、部品
230 外側層
232 外側層
234 負のCTE構造
D 主寸法または直径
T1 厚さまたは深さ
T2 厚さ
W 厚さ
P 金属粉末、粉末
B ビーム
S 焦点スポット
10 turbine blade, part 12 dovetail 14 blade shank, shank 16 platform 17 body part 18 hollow airfoil part, airfoil part, gas turbine engine airfoil part 19 tip part 20 base part 22 tip 24 metal wall, concave pressure side wall, pressure side wall , Wall 26 metal wall, convex suction side wall, suction side wall, wall 28 leading edge 30 trailing edge 32 trailing edge cooling hole 34 tip lid 36 upright squealer tip, squealer tip 38 suction side tip wall, tip wall 40 pressure side tip wall, tip Wall 44 Film cooling hole 46 Internal wall 48 Negative CTE structure, hexagonal cell, cell,
50 Negative CTE structure, approximately hourglass shaped cell, cell 52 'wall, convex wall 52 wall, concave wall 54 Negative CTE structure, cell with square shape, cell 63 wall 100 device 112 table 114 powder supply 116 scraper 118 overflow Container 120 Building platform 121 Actuator 122 Building wall 124 Directional energy source 126 Beam steering device 128 Work surface, work plane 130 Central opening 132 Supply opening 134 Overflow opening 136 Actuator 138 Supply container 140 Elevator 142 Actuator 144 Insulation 146 Belt Type electric resistance heater, heater, belt type heater 148 power supply 150 quartz lamp 152 power supply 154 induction heater, external induction heater 156 induction coil 158 power supply 160 seed element 2 8 metal wall, the wall, the component 230 outer layer 232 outer layer 234 negative CTE structure D main dimension or diameter T1 thickness or depth T2 thickness W thickness P metallic powder, powder B beam S focal spot
Claims (16)
前記表面の1つに強固に取り付けられている金属製の負のCTE構造(48、50、54)を備えるタービン部品(10)。 Metal walls (24, 26, 228) having opposing inner and outer surfaces and configured to direct the combustion gas flow of a gas turbine engine, and metal rigidly attached to one of said surfaces Turbine component (10) with negative CTE structure (48, 50, 54) made of.
金属粉末(P)を作業平面(128)に配置すること、
指向性エネルギー源(124)からのビームを誘導して、前記部品(C)の断面層に対応するパターンに従って前記粉末(P)を融合させること、
前記配置および融合のステップを周期的に繰り返して、層ごとに壁を構築し、前記壁(24、26、228)が、対向する内部表面および外部表面を有し、前記壁(24、26、228)が、ガスタービンエンジンの燃焼ガス流を導くように構成されていること;および金属製の負のCTE構造(48、50、54)を、前記表面の1つと一体的に形成させることを含む方法。 A method for producing a part (C, 18, 228), comprising:
Placing the metal powder (P) on the work plane (128);
Directing a beam from a directional energy source (124) to fuse the powder (P) according to a pattern corresponding to a cross-sectional layer of the part (C);
The placement and fusion steps are periodically repeated to build a wall for each layer, the wall (24, 26, 228) having opposing inner and outer surfaces, and the wall (24, 26, 228) being configured to direct the combustion gas flow of the gas turbine engine; and forming a metal negative CTE structure (48, 50, 54) integrally with one of said surfaces. Including methods.
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